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Mauerstetten, 20.07.2021

Roboter in der Medizintechnik – aber sicher

Technische Helfer in medizinischen Anwendungen sind keine Science-Fiction mehr
Roboter in der Medizintechnik – aber sicher

Im medizinischen Bereich halten Roboter unaufhaltsam Einzug. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Vom Labor über die Diagnostik bis hin zum OP-Saal. In allen Fällen ist Sicherheit oberstes Gebot. Dafür sorgen unter anderem Sicherheitsbremsen, die Achsen zuverlässig abbremsen und sicher in ihrer Position halten. Eine falsche Auswahl, Auslegung und Dimensionierung dieser Bremsen kann allerdings gravierende Folgen für Menschen und Material haben. Deshalb ist bereits bei der Auswahl der Bremsen für Roboter ein kritischer Blick auf die technischen Produktdetails und das Leistungsspektrum des Anbieters unabdingbar.  

Im Bereich der Medizintechnik wird die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter immer enger. Längst ist es keine Science-Fiction mehr, dass beispielsweise Proben in Labors von Robotern sortiert werden. Eine eintönige, repetitive Aufgabe, die trotzdem hohe Konzentration erfordert und keine Fehler verzeiht. Auch schwere Geräte wie OP-Leuchten oder Röntgengeräte werden längst mit Unterstützung von Robotertechnik bewegt und positioniert – ermüdungsfrei und ohne Kraftaufwand für den Bediener, trotzdem hochpräzise. Wo die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter enger wird, ergibt sich aber auch neues Gefahrenpotenzial. Fällt zum Beispiel während eines Arbeitsvorgangs der Strom aus, muss der Roboterarm, der den Arbeitsschritt vornimmt, sofort exakt gehalten werden. Deshalb ist es wichtig, bereits in der Konstruktionsphase ein unbeabsichtigtes Absinken der Last sowie unzulässig lange Anhaltewege dauerhaft auszuschließen. Entscheidend dabei sind die richtige Auswahl der Sicherheitsbremsen sowie deren korrekte Integration in das Gesamtsystem.

Sicherheit durch Fail-Safe-Prinzip

Für Anwendungen aus dem Bereich der medizinischen Roboter sind Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip die erste Wahl. Denn diese Bremsen sind im energielosen Zustand geschlossen. Sie bringen das geforderte Bremsmoment also auch bei Not-Stopp, Stromausfall oder bei einer Unterbrechung der Energieversorgung, zum Beispiel durch Kabelbruch. Damit die Sicherheitsbremsen auch in Not-Stopp-Situationen ausreichend Reibarbeit leisten und Bewegungen mit definiertem Bremsmoment abbremsen, ist ein dafür entwickelter Reibbelag mit dazugehöriger Stahlgegenreibfläche erforderlich. Während dies bei Federdruckbremsen üblich ist, stoßen Permanentmagnetbremsen mit ihren Stahl-auf-Stahl-Reibkombinationen hier hingegen an ihre tribologischen Grenzen.

Anwendungsbedingungen genau prüfen

Vor der Auswahl muss unbedingt geprüft werden, ob die Bremse für die geplante Anwendung grundsätzlich geeignet ist. Außerdem müssen die Anwendungsbedingungen der Bremsen genau definiert sein, besonders im sensiblen Medizinbereich. Anwender sollten deshalb aus den technischen Daten ihres Antriebs und der Antriebskonstellation möglichst exakt die Anforderungen an die Bremsen bestimmen. Dazu gehören neben einer Drehmoment-Unter- bzw. Obergrenze und den Umgebungstemperaturen z. B. auch die Anzahl der dynamischen Bremsungen oder spezielle Vorgaben zum Einbauraum sowie die genaue Beschreibung der Aufgaben, die der Roboter erfüllen soll. Unterstützung und Orientierungshilfe bietet hier z. B. ein ausgereifter Standardbaukasten des Bremsenherstellers und enge Zusammenarbeit bereits in der Entwicklungsphase.

Sinnvolles Baukastenprinzip für verschiedene Einbausituationen

Anwender sollten auch auf ein breites Produktprogramm des Herstellers achten – denn Variantenvielfalt schafft ein hohes Maß an Flexibilität für die verschiedenen Einbausituationen. Und ein sinnvolles Baukastenprinzip ermöglicht einen schnellen Überblick über die verschiedenen Lösungen. Gerade bei Servomotoren spielt die Baulänge häufig eine wichtige Rolle. Das bedeutet, schlanke Bremsen sind hier von Vorteil. Im Bereich der Leichtbauroboter kommt es zudem auf das Gewicht der Bremsen an. Roboter, die für die verschiedenen Arbeitsschritte oftmals wechselnde Positionen einnehmen, erreichen mit leichten Bremsen eine höhere Dynamik, schließlich müssen sie die Bremsen auch mitbewegen. Für diesen Einsatzbereich bieten sich leichtbauende Bremsen in Hohlwellen-Ausführung an, die speziell für die Integration in das Robotergelenk konzipiert sind.  

Energieeffiziente Bremsen mit hoher Leistungsdichte

Neben dem geringen Gewicht ist es wichtig, dass die Bremsen auch im magnetischen Aktuieren extrem schnell sind. Gleichzeitig müssen sie leistungsdicht und verschleißfest sein und sich durch eine hohe zulässige Reibarbeit bei dynamischen Bremsungen auszeichnen. Anwender sollten außerdem darauf achten, dass die Roboterbremsen so ausgelegt sind, dass der Bauraum optimal ausgenutzt und möglichst viel Energie eingespart wird. Durch die intelligente Ansteuerung der Bremsen und den Betrieb mit kurzzeitiger Übererregung und anschließender Spannungsabsenkung kann zusätzlich Energie eingespart werden.

Zuverlässige Bremsen auch bei hohen Temperaturen

Werden die Roboterbremsen im Motor eingebaut, dann bevorzugt im A-Lagerschild, weil hier das Festlager sitzt und Temperaturdehnungen die Bremse nicht gravierend beeinflussen können. Bremsen von mayr® Antriebstechnik beispielsweise können aber nahezu ohne Einschränkung auch in der B-Lagerseite des Motors integriert werden. Denn Temperaturdehnungen und Lagerspiel haben hier keinen negativen Einfluss auf die Funktion und Zuverlässigkeit der Bremsen. Alternativ können Anwender bei diesen Herstellern auch auf Anbaubremsen zurückgreifen, die modular an den Motor angefügt werden.

Kurze Schaltzeiten über die Lebensdauer und intelligentes Bremsenmonitoring

Für die Sicherheit von Mensch und Material sind kurze Anhaltewege wichtig. Entscheidend für den Bremsweg sind dabei die Schaltzeiten der Bremse. Denn in der Zeit des freien Falls bis die Bremse schließt und die Verzögerung einsetzt, beschleunigt sich die Masse zusätzlich – unter Umständen so extrem, dass die zulässigen Werte der Bremse überschritten werden. Anwender sollten daher bei der Auswahl der Sicherheitsbremsen auf möglichst kurze, verifizierte Schaltzeiten achten – und auch darauf, dass diese Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer der Bremse eingehalten werden. Hier sind Monitoring-Lösungen wichtig. Bislang waren kleine Federdruck- und Permanentmagnetbremsen aufgrund der kleinen Luftspalte gar nicht überwachbar. Intelligente Lösungen für sensorloses Bremsenmonitoring schaffen hier jedoch Abhilfe. Das sind Module, die die Bremsen nicht nur versorgen, sondern eben auch überwachen – zum Beispiel der ROBA®-brake-checker von mayr® Antriebstechnik. Sie erkennen die Bewegung der Ankerscheibe und wissen, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Diese Module leisten neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur auch eine präventive Funktionsüberwachung auf Verschleiß, Funktionsreserve und Fehler. Außerdem können sie Daten zu Schaltzeit, Strom, Spannung, Widerstand, Leistung und relativem Anzugsstrom liefern. Damit sind auch Verläufe auswertbar, Auffälligkeiten im Bearbeitungsprozess lassen sich schnell erkennen und somit Schlüsse aus komplexen Zusammenhängen ziehen. Wartung wird planbar und durch die permanente Inspektion kosteneffektiv. Der Betreiber bzw. Hersteller des Roboters kann die Wartung gezielt und abgestimmt auf den Arbeitsprozess in Klinik oder Labor vornehmen. Darüber hinaus ist auch die Integration in Fernwartungssysteme möglich.

Quelle: antriebstechnik 5-2021 Seite 32-34
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